基于氧化物半導體的薄膜晶體管穩定性

張弓

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 江蘇省蘇州市 215009）

作為顯示驅動薄膜晶體管的溝道層材料，由鋅、鎵、銦、錫或其混合物構成的氧化物比已有的非晶硅具有更高的遷移率、更好的光透過率和更優異的截止特性，并且穩定性好，可以采用低溫工藝制造，因此氧化物半導體薄膜晶體管成為備受全球顯示器件技術人員關注的“新一代電子的基礎材料”，是驅動大屏幕超高精細液晶顯示器、有機EL 顯示器以及電子紙等新一代顯示器的薄膜晶體管材料的最佳候選之一。

然而，氧化物半導體表現出較差的耐熱性，在薄膜晶體管的制造過程中，尤其是熱處理或等離子體處理的過程中，氧容易被分離并由此形成晶格缺陷，而晶格缺陷會使氧化物半導體具有電氣上淺的雜質水平，并使氧化物半導體的電阻變低；因此，當氧化物半導體作為薄膜晶體管的有源層時，閾值電壓的降低、泄漏電流的增大以及缺陷水平的增大將導致衰弱型操作，即使在不施加柵極電流的情況下，漏極電流也會流動；當缺陷水平增大到一定程度，薄膜晶體管就會停止操作，轉向半導體操作。因此存在利用氧化物半導體的TFT 的特性波動較大的缺點[1]。

1 按照國別進行的統計分析

圖1 和圖2 分別示出了涉及基于氧化物半導體的薄膜晶體管穩定性的相關專利的公開國別的分布以及申請人國別的分布。由圖可知，該項技術的相關專利在美國公開的數量最多，但這并不完全意味著美國在該項技術的科研實力最強，因為還有一種可能就是美國受到各國申請人的極大重視，使得很多其他國家的申請人在美國進行申請，這一點可以從圖2 得到很好的印證。從圖2 可以看出，該項技術的專利申請人主要分布在日本，排名第二的是韓國，其次才是美國。可見，從總體來看，日本、韓國和美國的申請人比較活躍，這些國家的申請人比較積極向其他國家進行申請，如美國和中國。

圖1：專利公開國別的分布

圖2：專利申請人國別的分布

2 按照申請人進行的統計分析

表1 中給出了全球范圍內基于氧化物半導體的薄膜晶體管穩定性的相關專利申請量排名前7 位的申請人，其中申請數量最多的是日本的半導體能源研究所。緊隨其后的是韓國的三星電子、三星液晶顯示和三星移動顯示，其中，三星液晶顯示由三星移動顯示與S‐LCD 公司合并而來，之后成為全球最大的面板制造商。接下來分別是日本的SONY（索尼）、CANON（佳能）和SHARP（夏普），對于排名靠后的幾家公司，其專利申請量比較接近，技術實力相對均衡。從表1 也可以看出，排名前7 位的申請人中有一半以上是來自日本，可見日本在該項技術的研究發展中遙遙領先其他國家，其市場競爭之激烈可見一斑。

表1：全球范圍內相關專利申請量排名前7 位的申請人

表2 中給出了國內基于氧化物半導體的薄膜晶體管穩定性的相關專利申請量排名前6 位的申請人，其中申請數量最多的是北京大學深圳研究生院，其次是華南理工大學、中國科學院微電子研究所，北京大學、清華大學和深圳丹邦投資集團有限公司，這些申請人主要集中在高校和科研院校，而非企業，這與日本和韓國的情況形成鮮明的對比。

表2：國內相關專利申請量排名前6 位的申請人

3 重要申請人的專利技術分析

基于半導體能源研究所在基于氧化物半導體薄膜晶體管穩定性領域方面技術領先地位，下文將對半導體能源研究所的基于氧化物半導體薄膜晶體管穩定性領域代表性專利技術進行分析。如表3所示，半導體能源研究所在氧化物TFT 穩定性方面做出了非常多的研發和技術改進，對該項技術的發展方向把握全面、研究深入。

表3：半導體能源研究所在氧化物TFT 穩定性方面做出的研發和技術改進

值得一提地是，佳能公司早期在該項技術的研究上面成果也頗為豐富，表4 是佳能公司在氧化物TFT 穩定性領域的主要代表專利。可以看出，雖然半導體能源研究所在該項技術研究上占居主導地位，但是其代表性的專利公開年份主要集中在08年以后；而佳能公司對于該項技術的專項研究則相對較早，其代表性的專利公開年份主要集中在08年以前。

表4：佳能公司在氧化物TFT 穩定性領域的主要代表專利

4 相關專利技術發展路線

4.1 溝道層的材料與結構

早在06年，日本專利JP2006165528A 和JP2006186319A 就公開了使用氧化物作為圖像顯示裝置的薄膜晶體管有源層，該氧化物為包括In、Ga、Zn 和O 的非晶氧化物，且其電子載流子濃度小于1018/cm3。隨后，日本財團法人高知縣產業振興中心和卡西歐計算機株式會社一起提出了一種氧化物半導體薄膜層，其中至少一部分氧化物半導體薄膜層的(002)晶格面沿垂直于襯底的沿垂直于襯底的方向具有擇優取向，并且該(002)晶格面具有至少為的晶格間距d002，該氧化物半導體薄膜層即使在形成絕緣膜等期間經受熱處理加工之后，該半導體器件仍表現出極好的性能（US2007278490A1）。之后，WO2008133345 A1 公開了一種氮氧化物半導體，其包括一金屬氧氮化物，該金屬氧氮化物含有Zn 和由In、Ga、Sn、Mg、Si、Ge、Y、Ti、Mo、W 和Al 組成的組中的至少一種元素，并且該金屬氧氮化物的原子組成比N/(N+O)為7 原子%‐80 原子%，由此可以提供在可見光區域的高載流子(電子或空穴)遷移率、優異的環境穩定性和光敏性的氧氮化物半導體。同年，出光興產株式會社提出了一種能夠制造可在較低溫下結晶化并具有穩定的半導體特性的氧化物半導體膜的濺射靶，發現含有銦、及至少1 種以上選自釓、鏑、鈥、鉺及鐿中的元素的濺射靶可以制造在較低溫下發生結晶化且缺氧量少氧化物半導體膜（WO2008114588 A1）。之后，EP2159844 A2 和US2010102311 A1 分別公開了“除了過剩氧(OEX)和氫之間的鍵之外的氧和氫之間的鍵密度小于等于1×1018cm‐3的非晶氧化物半導體”和“組成用InMO3(ZnO)m 表示的非晶氧化物半導體”，采用上述非晶氧化物半導體材料制作溝道層可很好地控制氧化物半導體的組成和缺陷。此后，專利文獻KR101035357B1 和CN102097486 A 中報道了氧化物半導體層中的Zn/Hf 的濃度可以朝形成有溝道的氧化物半導體層的一部分(該部分接觸柵極絕緣層)減小，而朝氧化物半導體層的被暴露于周圍環境的上部增大，從而提高薄膜晶體管的穩定性；當HfInZnO 基氧化物半導體中的Zn/Hf 的濃度增大時，HfInZnO 基氧化物半導體的結構變強，從而減少了當HfInZnO 基氧化物半導體經歷后續的工藝(例如薄膜形成工藝或等離子體工藝)時出現的缺陷問題。

4.2 溝道層的處理工藝

早在05年，專利文獻WO2005088726A1 就披露了一種非晶氧化物和使用該非晶氧化物的薄膜晶體管，該非晶氧化物例如是InGaZnO，制作時控制成膜氣氛的氧分壓，能夠獲得高的電子遷移率。之后，佳能株式會社和國立大學法人東京工業大學在專利號為WO2006051994A2 的專利申請中公開了使用非晶氧化物作為薄膜晶體管的有源層，通過控制在成膜過程中的氧氣氛條件，能夠將電子載流子濃度減小到小于1×1018/cm3。07年，日本專利文獻JP2007073697A 也公開了使用氧化物半導體膜作為溝道層制造高性能薄膜晶體管方法，其在濺射的氛圍中包括水蒸汽。之后，WO2008/023553 A1 和WO2008/062720 A1 分別公開了“制作時先在氧分壓為1×10‐3Pa 或更小的氣氛中形成氧化物膜，然后在氧化氣氛中對氧化物膜進行退火”以及“在氧化氣氛中使形成的氧化銦膜進行退火”的技術方案。另外，美國專利申請公開US2009045397A1 公開了在薄膜晶體管的溝道層的氧化物半導體中引入氫來控制載流子密度的技術。之后，株式會社半導體能源研究所提出了經過通過熱處理進行的脫水或脫氫的氧化物半導體層被用作活動層，該活動層包括微晶化的淺表部分的第一區以及其余部分的第二區，采用上述結構可以獲得具有有利的電特性和高可靠性的晶體管以及包括該晶體管的顯示設備。

4.3 其他

日本專利申請JP2003086808A 披露了一種具有透明半導體薄膜（如ZnO 等）的薄膜晶體管，在該薄膜晶體管中柵絕緣層為包含第一絕緣膜和第二絕緣膜的兩層結構，其中第一絕緣膜為SiNx 等具有高絕緣性的膜且位于柵電極側，第二絕緣膜為氧化膜（例如，SiO2）且位于半導體界面側，通過這種設置半導體層中的結晶度可以提高，同時半導體與第二絕緣膜之間的界面的缺陷水平可以降低；此外，公開號為JP2007250982A 的申請公開了薄膜晶體管的柵絕緣膜采用非晶硅且至少包含O 和N，其在厚度方向上具有氧濃度分布，其中氧濃度在與氧化物半導體層的界面側變高，而在與柵電極的界面側變低，由此在氧化物半導體和絕緣層之間具有良好的界面，實現了穩定和高的薄膜晶體管特性。之后，佳能株式會社提出了采用包括含有In 和Zn 并且至少一部分為非晶的氧化物作為有源層，位于有源層與第一絕緣層之間的第二絕緣層具有低于3×1021原子/cm3的氫含量，制得的顯示器可以長期被穩定驅動，并且具有高的清晰度和少的圖像缺陷（WO2008069286 A3）。后來美國專利申請US2010155718 A1 公開了在計劃的溝道形成區域上設置抑制熱傳輸的掩膜，之后在空氣中加熱氧化物半導體膜，此時掩膜抑制熱傳遞到計劃溝道形成區域，同時在未被掩膜覆蓋的氧化物半導體膜的區域中，通過加熱產生氧缺陷等，提高載流子密度，降低電阻值，結果未被掩膜覆蓋的氧化物半導體膜的區域獲得比計劃的溝道形成區域的載流子密度更高的載流子密度。株式會社半導體能源研究所在US2010133530A1 中提出了在使用氧化物半導體作為有源層的薄膜晶體管中，在第一氧化物半導體區域上方形成第二氧化物半導體區域，其中第二氧化物半導體區域的電導率低于第一氧化物半導體的電導率，該第二氧化物半導體區域用作第一氧化物半導體區域的保護層，從而可以防止第一氧化物半導體區的組成的變化和膜質的劣化，且使薄膜晶體管的電特性穩定。

5 結語

基于氧化物半導體的薄膜晶體管仍然會是未來研究的熱點之一，國內申請人應當加大研發力度，抓住機遇，開發出綜合性能優良的基于氧化物半導體的薄膜晶體管，以滿足顯示領域越來越高的需求，同時增強我國在該方面技術的競爭實力。